JP7316715B1

JP7316715B1 - フィルタ

Info

Publication number: JP7316715B1
Application number: JP2023049314A
Authority: JP
Inventors: 厳本島
Original assignee: Inter University Research Institute Corp National Institute of Natural Sciences
Current assignee: Inter University Research Institute Corp National Institute of Natural Sciences
Priority date: 2023-03-27
Filing date: 2023-03-27
Publication date: 2023-07-28
Anticipated expiration: 2043-03-27
Also published as: JP2024138702A

Abstract

【課題】設計の自由度及び加熱効率が高いフィルタを提供する。【解決手段】フィルタ１は、多孔質体２と、多孔質体２に対して少なくとも一部が一体化した発熱体３と、を備え、発熱体３は、多孔質体２内において、三次元形状であることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、空気を清浄化するフィルタに関する。

従来、多孔質体料とヒーターを組み合わせる技術が開示されている（特許文献１及び２参照）。特許文献１には、発熱体に活性炭を塗布したオゾンフィルタ装置が記載され、特許文献２には、発熱体と吸着部が別々に搭載されたトイレ脱臭機が記載されている。特許文献１及び２に記載の技術は、別々の活性炭と発熱体が組み合わされて形成されている。

また、特許文献３には、ヒーターを内蔵した多孔質セラミックス焼結体が記載されている。特許文献３に記載の技術は、図１から理解できるように、平面上のヒーターを多孔質セラミックス焼結体で挟み込むように形成されている。

特開平４－２２５８１７号公報特開２００１－２２７０３１号公報特開昭６０－２６０３３１号公報

しかしながら、特許文献１乃至３に記載された技術は、完成した焼結体にヒーターを組み合わせる構造であって、ヒーターの形状が二次元状に限られ、設計の自由度及び加熱効率が限定されるおそれがある。

本発明は、設計の自由度及び加熱効率が高いフィルタを提供することを目的とする。

本発明にかかるフィルタは、
多孔質体と、
前記多孔質体に対して少なくとも一部が一体化した発熱体と、
を備え、
前記発熱体は、前記多孔質体内において、三次元形状である
ことを特徴とする。

本発明にかかるフィルタは、
活性炭を含む多孔質体と、
前記多孔質体に対して少なくとも一部が一体に焼結して形成される金属製の発熱体と、
を備え、
前記発熱体は、前記多孔質体内において、三次元形状に形成され、
前記活性炭は、直径８０ｎｍ以上１２０ｎｍ以下の細孔を有し、
前記活性炭の直径８０ｎｍ以上１２０ｎｍ以下の細孔量は、直径５０ｎｍ以下の細孔量よりも多い
ことを特徴とする。

本実施形態のフィルタの一例を示す。本実施形態のフィルタの多孔質体として用いられる活性炭の細孔直径と細孔量の関係の一例を示す。本実施形態のフィルタを製造する放電プラズマ焼結装置の一例を示す。本実施形態のフィルタの製造方法の一例を示す。本実施形態のフィルタを使用したウイルス不活性化試験の結果の一例を示す。他の実施形態のフィルタの一例を示す。

以下、図面を参照して本発明にかかる一実施形態のフィルタ１を説明する。

図１は、本実施形態のフィルタ１の一例を示す。

本実施形態のフィルタ１は、多孔質体２と、三次元形状に形成された発熱体３と、を備え、放電プラズマ焼結によって、発熱体３の一部が多孔質体２に内蔵され一体に形成される。フィルタ１は、空気清浄機等の機器に設置される。機器が作動すると、フィルタ１を空気が通過し、

多孔質体２は、機器にフィルタが設置された際に、空気が流入する第１面２ａと、空気が流出する第２面２ｂと、第１面２ａと第２面２ｂの間で厚みを形成する側面２ｃと、を有する。本実施形態の多孔質体２は、直方形状に形成されるが、他の形状でもよく、板状が好ましい。第１面２ａと第２面２ｂは、表裏の関係であって、平行な面に形成されると好ましい。

多孔質体２は、活性炭、セラミック、ゼオライト又は金属等で形成される。本実施形態の多孔質体２は、活性炭を用いる。活性炭を用いることによって、バインダー樹脂等の吸着材により固形化する必要がなくなり、多孔質体２と発熱体３のみでも十分な強度で固形化することができる。なお、粉末活性炭Ｍに銅等の金属粉末を混合して多孔質体２を形成してもよい。粉末活性炭Ｍの金属粉末に対する体積割合は、活性炭の細孔率を維持する観点で１０％程度が好ましい。

活性炭は、例えば、三次元網目構造を有する筋材と、炭素材料形成源としての有機物質とを成形して炭化させた後、酸又はアルカリで筋材を溶解して製造する。この場合、筋材を溶解した痕が三次元網目構造を形成する複数の孔となる。筋材は、酸又はアルカリに可溶性の金属、金属酸化物、金属塩、金属含有有機物等でよい。

図２は、本実施形態のフィルタ１の多孔質体２として用いられる活性炭の細孔直径と細孔量の関係の一例を示す。

本実施形態の多孔質体２に用いられる活性炭は、直径８０ｎｍ以上１２０ｎｍ以下に細孔制御されたものが好ましい。この細孔制御によって、図２に示すように、活性炭は、直径８０ｎｍ以上１２０ｎｍ以下の細孔が５０ｎｍ以下の細孔よりも多く形成される。従来のヤシ殻活性炭と比較して細孔量を約１２０倍多く形成することができる。また、ウイルスのサイズは、約８０ｎｍ以上１２０ｎｍ以下であるので、ウイルスの吸着量を増大させることができる。

ここで、活性炭の細孔制御について説明する。活性炭は、アルカリ土類金属酸化物の結晶子サイズによって活性炭の細孔サイズを制御することができるほか、用いる有機質樹脂の種類によって活性炭の細孔分布を制御することができる。より具体的には、細孔制御された活性炭は、有機質樹脂をアルカリ土類金属化合物と混合し、非酸化性雰囲気で加熱焼成した後、混合物を酸性水溶液で処理すると、アルカリ土類金属酸化物が可溶性の塩として水に溶解し、これを濾過・水洗して乾燥することで得ることができる。

本実施形態の活性炭は、直径８０ｎｍ以上１２０ｎｍ以下の細孔を形成するため、アルカリ土類金属化合物として酸化マグネシウム、水酸化マグネシウム、又は、酢酸マグネシウム等のマグネシウム化合物の粉末を使用する。マグネシウム化合物を有機質樹脂と混合し、焼成した後、酸性水溶液で処理し、濾過・水洗して乾燥させる。すると、直径８０ｎｍ以上１２０ｎｍ以下の細孔制御された活性炭が生成される。

多孔質体２は、表面に溝を形成してもよい。溝を形成することで、活性炭への吸着面積を増加させることができ、より効率的に微生物を不活性化することができる。溝は、直線状又は螺旋状等に形成すればよい。また、活性炭の表面に凹凸を形成し、活性炭への吸着面積を増加させてもよい。

このように、本実施形態のフィルタ１は、ウイルス又は細菌等の微生物を大幅に不活性化することができる。したがって、このようなフィルタ１を用いた空気清浄機又はエアコン等に使用することによって、保菌者と同室にいる医療従事者、救急救命士、及び、家族等の感染リスクを低減することができる。

発熱体３は、金属製の抵抗線セラミックヒータ又はポリイミドヒータ等でよい。本実施形態の発熱体３は、金属製の抵抗線であり、多孔質体２と一体に焼結して形成される内蔵部３ａと、多孔質体２の外側で図示しない電極に連結される連結部３ｂと、を有する。内蔵部３ａは、多孔質体２内において、少なくとも２つの異なる仮想平面内のそれぞれで曲部３ａ１を有する。図１に示す例では、内蔵部３ａは、第１面から第２面の方向へ螺旋状に形成され、仮想平面内に環状の一部を示す曲部３ａ１を有する。曲部３ａ１が螺旋状部分で重なることによって、発熱体３は、多孔質体２内において、第１面２ａと第２面２ｂに交差する方向に伸びる部分を有する。すなわち、発熱体３は、立体的に配置される三次元形状に形成される。内蔵部３ａは、両端において、多孔質体２の外部に出て、連結部３ｂとなる。

本実施形態の発熱体３は、ニクロム線等の金属材料の抵抗線を用いる。また、発熱体３は、ニクロム線を絶縁粉末により絶縁されたステンレス等の金属パイプで包んだシースヒーターを用いてもよい。

このように、本実施形態の発熱体３は、三次元形状に構成することによって、フィルタ１を、様々な形状に形成することができるとともに、発熱が必要な部分に発熱体３を設置することができる。したがって、本実施形態のフィルタ１は、高い設計の自由度及び高い加熱効率を提供することができる。

本実施形態のフィルタ１は、空気清浄機又はエアコン等に使用することができる。使用時には、図示しない電源から発熱体３に電流を通してフィルタ１の温度を上げると好ましい。ウイルスは、高温では不活性化し、８０°以上では死滅することがわかっている。本実施形態のフィルタ１は、発熱体３を用いることによって、フィルタ１を通過する空気中のウイルスを効果的に減少させることができる。

また、本実施形態のフィルタ１は、発熱体３によって温度を上げるとともに、多孔質体２として直径８０ｎｍ以上１２０ｎｍ以下に細孔制御された活性炭を用いることによって、フィルタ１を通過した空気中のウイルスをより効果的に減少させることができる。

図３は、本実施形態の放電プラズマ焼結装置１０の一例を示す。

フィルタ１は、放電プラズマ焼結装置１０によって製造される。放電プラズマ焼結装置１０は、図３に示すような一般的な構造でよく、区画された空間を形成するチャンバー１１と、チャンバー１１内の空間に設置され粉末活性炭Ｍが投入される筒状のダイ１２と、ダイ１２の上方から挿入される上パンチ１３と、上パンチ１３の位置を調整する上スペーサー１４と、上スペーサー１４を介して上パンチ１３を上方から支持し、上パンチ１３に通電する上電極１５と、ダイ１２の下方から挿入される下パンチ１６と、下パンチ１６の位置を調整する下スペーサー１７と、下スペーサー１７を介して下パンチ１６を上方から支持し、下パンチ１６に通電する下電極１８と、を備える。

また、放電プラズマ焼結装置１０は、チャンバー１１内の雰囲気を、窒素ガス、アルゴンガス等の不活性ガス又は真空等に変化させる雰囲気変更装置２０、及び、チャンバー１１内、特にダイ１２、上パンチ１３及び下パンチ１６で囲まれ粉末活性炭Ｍを加圧する部分を昇温する加熱装置２１をさらに備える。さらに、チャンバー１１の外部に、上パンチ１３及び下パンチ１６のうち少なくとも１つを押圧するプレス機構２２と、備える。

加熱装置２１は、粉末活性炭Ｍが有する細孔を維持するために１１００℃以下で加熱することが好ましく、９００℃以上１０５０℃以下がより好ましい。また、昇温速度は、５℃／分以上５０℃／分以下が好ましく、８℃／分以上２０℃／分以下がより好ましい。

プレス機構２２の作動圧力は、粉末活性炭Ｍをより強固に固形化させる観点から、５ＭＰａ以上５０ＭＰａが好ましく、１０ＭＰａ以上３０ＭＰａ以下がより好ましい。プレス機構２２の加圧時間は、粉末活性炭Ｍをより強固に固形化させる観点から、５分以上２０分以下が好ましく、８分以上１５分以下がより好ましい。

図４は、本実施形態のフィルタ１の製造方法の一例を示す。

本実施形態のフィルタ１を製造するために、放電プラズマ焼結は、まず、ステップ１において、放電プラズマ焼結装置１０の下パンチ１６をダイ１２内に挿入する（ＳＴ１）。続いて、ステップ２において、多孔質体２の粉末活性炭Ｍをダイ１２の筒内の空間に投入する（ＳＴ２）。続いて、ステップ３において、投入された多孔質体２内に発熱体３を配置する（ＳＴ３）。なお、最初に発熱体３を配置し、多孔質体２の粉末活性炭Ｍをダイ１２の筒内の空間にまとめて投入してもよい。また、多孔質体２の粉末活性炭Ｍと発熱体３を同時に配置してもよい。粉末活性炭Ｍが足りない場合には、足してもよい。連結部３ｂは、予めダイ１２に形成した専用の孔に差し込んでおけばよい。

次に、ステップ４において、上パンチ１３をダイ１２内に挿入し、粉末活性炭Ｍをダイ１２、上パンチ１３及び下パンチ１６で囲む（ＳＴ４）。次に、ステップ５において、チャンバー１１内の空気を排気して真空状態とする（ＳＴ５）。次に、ステップ６において、プレス機構１９を作動させ、上パンチ１３及び下パンチ１６のうち少なくとも１つで粉末活性炭Ｍを押圧する（ＳＴ６）。次に、上電極１５及び下電極１８によって粉末活性炭Ｍを通電する（ＳＴ７）。その後、このように、放電プラズマ焼結装置１０を作動させることで、フィルタ１が製造される。

図５は、本実施形態のフィルタ１を使用したウイルス不活性化試験の結果の一例を示す。

本実施形態のフィルタ１によって、インフルエンザウイルスを不活性化した評価試験を行った。使用細胞及びウイルス株は、”Influenza A virus H1N1 A/PR/8/34 ATCC VR-95” 及び “ 宿主細胞：MDCK（イヌ腎臓細胞）” を用いた。

このウイルス株の懸濁液をネブライザーの薬液ボトルに充填し、エアロゾルを生成させ、本発明にかかるフィルタを通過させた。フィルタ１を通過した流体をゼラチン膜フィルタに通過させ、ウイルス粒子を捕集した。

その後、ウイルス粒子を捕集したフィルタを溶解し、プラークアッセイによってウイルス力価を評価した。この試験結果を参照すると、単なる多孔質体２のみを用いたフィルタと比較して、本実施形態の多孔質体２と発熱体３を用いたフィルタ１は、99.98%のインフルエンザウイルスを不活性化することができたことがわかる。また、本実施形態の活性炭を用いた多孔質体２と発熱体３を用いたフィルタ１は、99.99%のインフルエンザウイルスを不活性化することができたことがわかる。

図６は、他の実施形態のフィルタ１の一例を示す。

他の実施形態のフィルタ１は、多孔質体２は、図１に示した実施形態と同様なので、説明を省略する。他の実施形態の発熱体３は、金属製の抵抗線であり、多孔質体２と一体に焼結して形成される内蔵部３ａと、多孔質体２の外側で図示しない電極に連結される連結部３ｂと、を有する。内蔵部３ａは、多孔質体２内において、少なくとも２つの異なる仮想平面内のそれぞれで曲部３ａ１を有する。図６に示す例では、内蔵部３ａは、屈曲状の曲部３ａ１を有する。屈曲状の曲部３ａ１が異なる仮想平面内で屈曲することによって、発熱体３は、多孔質体２内において、第１面２ａと第２面２ｂに交差する方向に伸びる部分を有する。すなわち、発熱体３は、立体的に配置される三次元形状に形成される。内蔵部３ａは、両端において、多孔質体２の外部に出て、連結部３ｂとなる。

以上、本実施形態のフィルタ１は、多孔質体２と、多孔質体２に対して少なくとも一部が一体化した発熱体３と、を備え、発熱体３は、多孔質体２内において、三次元形状に形成される。したがって、フィルタ１を、様々な形状に形成することができるとともに、発熱が必要な部分に発熱体３を設置することができる。そのため、本実施形態のフィルタ１は、高い設計の自由度及び高い加熱効率を提供することができる。

また、本実施形態のフィルタ１は、多孔質体２は、活性炭を含み、活性炭は、直径８０ｎｍ以上１２０ｎｍ以下の細孔を有する。したがって、本実施形態のフィルタ１は、ウイルス又は細菌を吸着及び不活性化させることができる。

また、本実施形態のフィルタ１は、活性炭の直径８０ｎｍ以上１２０ｎｍ以下の細孔量は、直径５０ｎｍ以下の細孔量よりも多い。したがって、本実施形態のフィルタ１は、ウイルス又は細菌の吸着量を増大させることができる。

また、本実施形態のフィルタ１は、多孔質体２は、第１面２ａと、第１面２ａに対向する第２面２ｂと、を有し、発熱体３は、金属製の抵抗線であり、第１面２ａと第２面２ｂに交差する方向に伸びる部分を有する。したがって、本実施形態のフィルタ１は、より高い設計の自由度及び高い加熱効率を提供することができる。

また、本実施形態のフィルタ１は、多孔質体２と発熱体３は、放電プラズマ焼結によって一体化する。したがって、本実施形態のフィルタ１は、多孔質体２と発熱体３を適切に一体化することができる。

なお、この実施形態によって本発明は限定されるものではない。すなわち、実施形態の説明に当たって、例示のために特定の詳細な内容が多く含まれるが、当業者であれば、これらの詳細な内容に色々なバリエーションや変更を加えてもよい。

１…フィルタ、２…多孔質体、
３…発熱体、３ａ…内蔵部、３ａ１…曲部、３ｂ…連結部、
１０…放電プラズマ焼結装置、

Claims

活性炭を含む多孔質体と、
前記多孔質体に対して少なくとも一部が一体に焼結して形成される金属製の発熱体と、
を備え、
前記発熱体は、前記多孔質体内において、三次元形状に形成され、
前記活性炭は、直径８０ｎｍ以上１２０ｎｍ以下の細孔を有し、
前記活性炭の直径８０ｎｍ以上１２０ｎｍ以下の細孔量は、直径５０ｎｍ以下の細孔量よりも多い
ことを特徴とするフィルタ。
前記多孔質体は、第１面と、前記第１面に対向する第２面と、を有し、
前記発熱体は、金属製の抵抗線であり、前記第１面と前記第２面に交差する方向に伸びる部分を有する
ことを特徴とする請求項１に記載のフィルタ。
前記発熱体は、
少なくとも２つの異なる仮想平面内のそれぞれで屈曲状の曲部を有し、
前記曲部が前記異なる仮想平面内で屈曲することによって、前記多孔質体内において、前記第１面と前記第２面に交差する方向に伸びる部分を有する
ことを特徴とする請求項２に記載のフィルタ。
前記多孔質体と前記発熱体は、放電プラズマ焼結によって一体化する
ことを特徴とする請求項１に記載のフィルタ。